從發明專利角度分析電子封裝釬焊用釬料合金的發展及趨勢

蔣輝

摘 要：隨著全球電子產業的蓬勃發展，無鉛釬料合金的開發應用得到快速發展，本文簡要介紹了釬料合金的發展背景及現狀，尤其是有關Sn-Zn系及Sn-Ag-Cu系無鉛釬料合金的發明創造，并分析了相關專利申請趨勢及特點。

關鍵詞：無鉛；釬料；電子；Sn-Zn Sn-Ag-Cu

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.005

1 前言

在焊接領域，尤其是涉及電子產品的焊接領域中，根據制造產品所使用的材料的不同，為了保證焊接質量，需要選擇與焊接材料相適應的釬料合金。針對不同的應用領域，國內外開發了一系列適用的釬料合金體系，并申請了大量的發明專利，本文旨在從發明專利的角度分析國內外有關釬料合金的發展現狀及趨勢。

2 釬料合金的發展現狀

長期以來，電子封裝釬焊時所使用的主要是軟釬釬料，其中Sn-Pb釬料合金是典型的軟釬焊釬料。但是，電子產品污染已經成為生態環境破壞的又一重要來源，主要是由于電子產品中的有毒有害的金屬元素，其中最主要的元素就是Pb，而電子產品釬焊中使用的釬料合金正是有害金屬元素的重要來源，因此，國際上已經達成廣泛共識，減少有害釬料合金的使用。在此背景下，國內外正致力于研究開發一系列的無鉛釬料合金以取代傳統的Sn-Pb系釬料。

3 無鉛釬料合金

3.1 Sn-Zn基無鉛釬料合金

Sn-Zn基無鉛釬料合金熔點低，具有良好的經濟性和力學性能，是無鉛釬料合金發明申請中的重要一類。例如，發明名稱為“一種用于鋁銅軟釬焊的Sn-Zn基無鉛釬料合金及其制備方法”的發明專利中[1]，通過在Sn-Zn基釬料合金的基礎上，添加了一定量的合金元素Al、Ag、P、Re及Ni，解決了現有Sn-Zn基釬料釬焊鋁銅材料時，潤濕性不佳的問題，達到有效連接兩種金屬并能獲得較高強度的釬焊接頭的技術效果。另外，名稱為“含Pr、Ga、Te的Sn-Zn無鉛釬料”的發明專利[2]，則是通過在Sn-Zn基合金中添加一定含量的Pr、Ga及Te元素，以獲得釬焊性能優良的新型綠色、環保型無鉛釬料。

3.2 Sn-Ag-Cu基無鉛釬料合金

Sn-Ag-Cu共晶及近共晶釬料由于具有較低的熔化溫度（Tm=217℃），良好的釬焊工藝性能及優良的綜合力學性能，被業界認為是替代傳統含鉛釬料的首選。目前以Sn-Ag-Cu釬料合金為基礎進行改進的發明專利申請較多，其主要通過添加合適的合金元素，以進一步改善Sn-Ag-Cu基釬料合金的綜合性能。例如，名稱為“一種低銀無鉛釬料合金”的發明專利[3]，其技術方案是在Sn-Ag-Cu合金的基礎上，添加了一定含量的Bi、Ni及Dy元素。通過添加適量的Bi元素作為正吸附元素，其可以改善釬料的潤濕性，提高釬焊工藝性能；添加Dy元素則其可與Sn形成共晶相，由此降低釬料的熔點，通過調整Dy元素的含量，以獲得理想的釬料合金力學性能。

3.3 其它體系無鉛釬料合金

除了上述的Sn-Zn系及Sn-Ag-Cu系釬料合金外，為了滿足不同的應用場合，無鉛料釬料合金還具有Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-In系等其它系列。各個釬料體系并不存在明顯界限，有關的釬料發明專利，往往難以劃分到某個特定的體系當中。

3.4 無鉛釬料專利申請分析

無鉛釬料合金特別是電子封裝領域釬焊用釬料合金其在國際專利分類表中主要涉及分類號B23K35/26。基于該分類號下的專利分析，以VEN數據庫為統計來源，目前此類專利申請的數量約為5800件。按國別分類，其中日本作為焊接及電子領域的技術領先的國家，其相關釬料的申請量遙遙領先于其它國家，約為2320件，尤其是由千住金屬工業株式會社、松下、日立、富士通等幾家工業巨頭申請的數量最多。而隨著全球電子產業的發展，釬料技術在我國蓬勃發展，自2005年以后，中國的相關專利申請量顯著增長，目前相關釬料的申請總量為約1040件。

盡管，從專利申請數量上來看，我國釬料專利申請穩步提升，逐步縮小同發達國家間的差距；然而，專利質量及實際應用效果仍存在不小的差距。以往，釬料類發明專利的技術方案主要體現在釬料的組元及含量配比關系，這也是我國釬料專利申請中最為常見的形式，然而，縱觀日、美等焊接技術發達的國家，釬料合金的研究已經深入到釬料粉末顆粒的具體結構上，從更為微觀的角度開發新型釬料[4]。

4 無鉛釬料合金有關專利的總結及展望

無鉛釬焊釬料合金經過幾十年的發展，在各中體系的釬料合金中均已經申請了大量的專利，而目前相關的專利申請量仍然保持著較高的水平。前沿的釬料專利已經不僅僅局限于合金元素種類的多樣化，更注重在釬料粉末顆粒的結構形式及特定合金相的研究開發中。我國的焊接技術人員更應重質重量，努力追趕同發達國家間的差距，打破外國專利技術壁壘，更好的促進我國科技事業的發展。

參考文獻：

[1]大連理工大學.一種用于鋁銅軟釬焊的Sn-Zn基無鉛釬料合金及其制備方法[P].CN102642099A，2010-08-22.

[2]金華市雙環釬焊材料有限公司.含Pr、Ga、Te的Sn-Zn無鉛釬料[P].CN102825396B，2015-06-03.

[3]華南理工大學.一種低銀無鉛釬料合金.CN102642097A[P]， 2012-08-22.

[4]三菱綜合材料株式會社.焊料粉末、使用該粉末的焊料用漿料和電子部件安裝方法[P].CN104070295A，2014-03-07.